在原子尺度“观察”交错磁序
一种材料中独特的电子状态，能否成为测量另一种材料的工具？ 答案是肯定的。近日，中国科学技术大学教授陈仙辉、王震宇团队与该校教授向斌、香港科技大学教授刘军伟等合作，将拓扑材料溴化铋单晶制备成扫描隧道显微镜针尖，利用螺旋边界态获得了原子尺度的自旋分辨探测能力。依托该技术，研究团队直接观测到钾钒硒氧表面存在一种特殊的磁性——交错磁序。10月13日晚11点，相关研究成果以加速文章预览形式在《自然》发表。
左，螺旋边界态探针的工作原理；右，d波交错磁序的电子散射特征。中国科大供图
陈仙辉（一排右二）、王震宇（一排左一）团队合影。郑鸿洁 摄 从寻找拓扑边界态，到利用边界态 “这项工作的起点是量子自旋霍尔效应。”论文共同通讯作者王震宇向《中国科学报》介绍。 通常说一种材料“绝缘”，是指电子难以从中通过；在量子自旋霍尔体系中，材料内部与边界的电子行为可以截然不同：内部呈现绝缘性，而边界却能承载特殊的电子通道。同一条边界上，沿相反方向传播的电子具有相反的自旋特征，这便是“自旋—动量锁定”，这类边界态也因此被称为螺旋边界态。 这类螺旋边界态并不常见。在前期研究中，陈仙辉、王震宇团队一直在寻找稳定且纯净的边界态材料体系。2024年，他们利用扫描隧道显微镜，在层状晶体碘化铋中发现了稳定的螺旋边界态通道，为利用同族材料的边界态提供了物理基础。 在此次研究中，研究团队希望进一步改变边界态的角色：不只是用显微镜去寻找它，而是让它成为显微镜的一部分。 “扫描隧道显微镜的工作方式，是将极细的针尖靠近样品表面，让电子通过‘量子隧穿’跨越两者之间微小的真空间隙。通过记录隧穿电流，从而辨认原子位置和电子态的分布。”王震宇说，传统扫描隧道显微镜使用的是非磁性金属针尖，通常无法区分电子自旋。 20世纪90年代，德国科学家利用磁性针尖发展出了自旋极化扫描隧道显微镜技术。其针尖的磁性状态需要标定，并可能受到外磁场及针尖与样品相互作用的影响。 研究团队提出一个大胆的猜想：能否用非磁性的螺旋边界态，提供另一种自旋选择机制？“因为这类边界态里‘方向决定自旋’，所以只要控制样品与针尖之间的电压极性，就可以改变电子的运动方向，对应的自旋特征也会反转。这样一来，就有望不依赖外加磁场，也不使用磁性针尖，仅通过切换电压极性来辨别与自旋有关的电子状态。”王震宇解释道。 为此，团队利用聚焦离子束微纳加工技术，把溴化铋单晶制备成具有原子分辨能力的针尖。“制备难点不只是把晶体磨尖，而是针尖末端既要足够尖锐能够分辨出原子，尖锐程度相当于头发丝（0.1毫米）的万分之一，还要在这种情况下保留拓扑边界态的电子结构。”王震宇说。 为验证边界态针尖的自旋选择性，团队分别对铁碲和笼目磁体铁锗开展测量，前者的条纹对比随样品偏压极性反转，后者的层间对比则随磁场诱导的自旋重取向而显著变化。这些结果表明，边界态的“自旋—动量锁定”可以转化为随隧穿方向变化的自旋选择性，为原子尺度自旋探测提供了新的途径。
陈仙辉（右一）、王震宇（左一）等讨论研究进展。郑鸿洁 摄 用边界态针尖“看清”交错磁性“真面目” 团队随后将目光锁定在一种叫作钾钒硒氧的层状材料上。该材料具有一种特殊的磁性——交错磁序。 近年来，交错磁序让人们看到了磁性材料的一种特殊面貌：原子的磁矩像一根根微小的磁针，方向相反、整体相互抵消，但材料内部，两种相反自旋的电子仍可以具有不同的能量，而且谁的能量更高，会随电子运动方向交替变化。这些特点有望帮助人们开发速度更快、更省电、能在更小空间内存储和处理更多信息的器件，同时减少相邻器件之间的磁场干扰。 然而，识别交错磁序并非易事。“不仅要看清原子上的小磁针怎样排列、方向相反的两组如何被联系起来，也要看两种自旋的电子是否存在能量差异，以及这种差异是否随运动方向交替变化。”王震宇说，如果只测量整块材料的平均磁性，难以直接回答这些问题。 研究团队首先利用边界态针尖，为钾钒硒氧单晶表面拍摄了能分辨单个原子的“照片”，区分出两类钒位点，并看清了它们周围的原子排列。他们进一步比较不同电压下的图像，提取出与自旋有关的明暗对比，发现它与磁矩呈棋盘状反向排列的图景相符，这为研究提供了一张原子尺度的“地图”。 随后，研究人员把目光转向电子在不同运动方向上的区别。“电子遇到缺陷时会发生散射，形成类似水波遇到障碍物后的干涉波纹。用扫描隧道显微镜记录这些波纹后，我们就能从中提取电子运动方向和能量的信息。”王震宇补充。 研究发现，两组垂直方向上的干涉波纹信号的强弱出现了巨大差异。当样品电压由正变负、电子在针尖与样品之间的流动方向反转时，主导信号的方向也随之旋转了90°。这种“电压反转、强弱互换”的现象，与X、Y两个垂直方向的电子具有相反自旋特征的预期相符，提供了来自电子运动层面的证据。 研究团队还设计了一系列对比实验，结果表明，仅靠晶格应力、针尖形状的不对称，或对不同电子轨道的探测偏好，难以解释上述现象。这些测量与理论分析相互印证，共同为钾钒硒氧表面的交错磁序提供了有力的证据。 有望成为观察电子自旋的“原子级放大镜” 在王震宇看来，这项工作最难的是“迈出那一步”，即提出将螺旋边界态做成针尖。“当时，大家觉得这个想法有些太天马行空了，但陈仙辉老师鼓励我们，大胆地去尝试，并一起设计了具体的实施方案。” 事实上，2025年12月23日王震宇第一次向《自然》杂志投稿，审稿人也对螺旋边界态测量自旋信息提出了诸多疑问。为此，研究团队先后测量了5类不同的样品，设计了4种对照实验，才打消这些质疑。2026年10月，论文被正式接收。 陈仙辉表示，这项工作的意义，同时体现在“测到什么”和“用什么测”两个方面。一方面，交错磁序的判断不再只依赖某一种信号，而是有了实空间原子尺度和动量空间的交叉检验。另一方面，曾经需要被寻找、被表征的拓扑边界态，在这里成为读取其他量子材料自旋信息的工具。 此次制备出的边界态针尖未来有望成为观察电子自旋的“原子级放大镜”。例如，在非常规超导和高温超导材料中，可帮助研究人员追踪电子自旋在不同位置的变化，为理解磁性如何影响电子配对、超导为何形成提供新线索；在二维磁体和莫尔器件中，可以确定体系内是否形成了磁有序电子态，看清磁结构的分布形式，以及缺陷和外加磁场如何改变局部电子状态。 下一步，研究团队将与理论学家合作，进一步完善螺旋边界态量子隧穿过程的微观模型和理论，以此实现更强的自旋分辨能力。“随着探针制备和测量方法的完善，这项技术有望把原子排列、电子自旋与材料的宏观性质联系起来，为探索非常规超导机理和设计自旋器件提供更多的实验依据。”王震宇说。